В.Н. Сойфер - Репарация генетических повреждений (статья) (1117846), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Поэтому во время следующего раунда репликации нити ДНК оказываютсяразличимыми: материнская нить ДНК несет метилированные аденины, а в дочерней нити до окончания репликации аденины еще неметилированы. Ихметилирование начнется только по окончании репликации. Пока они остаются неметилированными,клетки должны успеть отрепарировать мисмэтчи.В кишечной палочке этот процесс идет под контролем продуктов четырех генов: MutH, MutL, MutSи MutU (MutU, как было выяснено позже, есть нечто иное, как ген UvrD, или хеликаза II). Процессначинается с того, что к некомплементарной паремисмэтча присоединяется белок mutS. С ним тут жесвязываются белок mutL и две молекулы белковmutH.
Каждый из белков mutH распознает участокГАТЦ и обладает эндонуклеазной активностью, спомощью которой ДНК в этой последовательностиможет быть надрезана вблизи аденина в неметилированной нити. Надрезы могут быть внесены как в5'-, так и в 3'-положение относительно аденина.Мультимолекулярный комплекс, составленный изэтих белков, массивен и связывает длинный фрагмент ДНК. Последний протягивается через комплекс до тех пор, пока два участка ГАТЦ, расположенные по обе стороны от мисмэтча, удерживаемогобелком mutS, не окажутся захваченными молекулами белков mutH.
Иногда расстояние между участками ГАТЦ может превышать несколько тысяч нуклеотидов. Каждый из белков mutH распознает участокГАТЦ и разрывает дочернюю нить около неметилированных аденинов. Если такой надрез сделан с5'-стороны от аденина (справа на рис. 2), к немуприсоединится еще один белок – экзонуклеаза, которая расщепит нити ДНК в направлении 5'3'.Этот белок начнет свою работу, разрушит всю дочернюю нить ДНК до места неправильного спариванияи даже пройдет несколько дальше. Если же первичный надрез будет сделан эндонуклеазой, оперирующей в содружестве с mutH белком, расположеннымс 3'-стороны мисмэтча (слева на рис.
2), то потребуется другая экзонуклеаза, двигающаяся по ДНК внаправлении 3'5'. Ее работа будет продолжаться до тех пор, пока не будет устранен участок мисмэтча. Затем как в случае с 5'3'-, так и с 3'5'-экзонуклеазой бреши должны быть застроеныëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹8, 1997CH3Матричная нить5'3'ЦТАГГАТЦCH3ГTДочерняя нитьприсоединяется кнеспаренному участку(участку мисмэтча)Неметилированаmut SCH3CH3ЦТАГГАТЦГTЦТАГГАТЦприсоединяются ккомплексуАДФ + Фmut SCH3ЦТАГГАТЦCHАГЦТАТЦГ3CHЦГА ТАГ 3ТЦmut HЦТАГГАТЦCH3ЦТАГГАТЦ4 Вырезание требуетГидролизучастка ДНКс помощьюэкзонуклеазы Imut L, mut S, ДНКхеликазы II и АТФCH3ЦТАГГАmut LГTCH3ГT3'5'АТФ2 Белки mut Н и mut L3 Белок mut Нделает надрезв левом илиправомучасткеГАТЦ в неметилированнойцепи ДНК3'5'Мисмэтч1 Белок mut S5'3'МетилированаЦТАГГАТЦCH3ГЦТАГГАТЦCH3ГTГидролизучастка ДНКс помощьюэкзонуклеазы VICH3ЦТАГГАТЦЦТАГГАТЦCH3ГЦТАГТЦГЦЦТАГГАТЦГЦЦТАГГАТЦ5 Репаративныйсинтез требуетучастия ДНКполимеразы и dNTPCH3ЦТАГГАТЦCH3ГЦЦТАГГАТЦCH3ЦТАГГАТЦCH36 ДНК лигазасоединяет разрезыCH3ЦТАГГАТЦCH3ГЦЦТАГГАТЦCH3ЦТАГГАТЦCH3Комплементарность восстановленаДНК-полимеразой, а концы воссоединены с помощью лигаз.
Разумеется, для высвобожденияконцов нитей после внесения первичных разрезовмолекула ДНК должна быть расплетена (требуетсябелок хеликаза), нужны также источники энергиив виде АТФ, а для застройки брешей требуютсядезоксирибонуклеотидтрифосфаты. Процесс обнаружен в клетках человека, дрожжей и некоторыхдругих организмов.Пострепликативная, или рекомбинационная, репарация.
В 1968 году американцы У. Рапп и П. ХовардФландерс исследовали облученные УФ-светом бактерии, у которых были повреждены гены, ответственные за синтез эксинуклеаз. В результате эксцизионная репарация стала невозможной. Посколькуопыты проводили в темноте, то и фотореактивацияне могла осуществиться. В этих клетках матричнаяДНК содержала много невырезанных димеров тимина, и в момент, когда ДНК полимераза, ведущаярепликацию, доходила до первого из них, она буквально застывала на этой точке. Спустя 10 секундДНК полимераза ухитрялась каким-то образом перебраться за димер тимина и возобновляла синтезпозади дефекта, пока снова не “натыкалась” на димер.
В результате формировалась дочерняя ДНК сбрешами напротив повреждения. Сейчас мы знаем,что репликацию ДНК осуществляет не один лишьфермент ДНК полимераза III, но комплекс из нескольких десятков белков. Как они могут перебираться через повреждение – не до конца разгаданнаязагадка. Как тот же комплекс может возобновлятьреакцию репликации без помощи затравки (короткого участка РНК, без которого синтез ДНК невозможен)1 – также неясно. Но обнаруженный Раппоми Ховардом-Фландерсом факт задержки синтеза никто не оспаривает. Сама же задержка на 10 секундвесьма значительна, так как репликация у кишечнойпалочки идет со скоростью 1000 нуклеотидов в 1 секунду. Таким образом, участок дочерней нити, иногдадлиной в несколько генов, оказывается неудвоеннымпри синтезе ДНК, причем в зоне напротив бреши(в матричной цепи) так и остается незалеченным1См. статью О.О.
Фаворовой “Сохранение ДНК в рядупоколений: репликация ДНК” (Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 11–17).Рис. 2. Репарация неправильно спаренного участка (мисмэтча) у бактерий кишечных палочек (E. coli). Двойнаяспираль ДНК была только что отреплицирована; матричная цепь несет уже метилированные основания, в то времякак дочерняя нить еще неметилирована.
Белки mutH разрезают в ходе описываемого процесса репарации тольконеметилированные сайты ГАТЦ. Матричная цепь ДНК остается целостной и служит матрицей для восстановленияправильной последовательности в образовавшихся брешах: 1 – белок mutS распознает неспаренный участок иприсоединяется к нему; 2 – образование репарационного комплекса за счет присоединения белков mutH и mutL кбелку mutS; на осуществление этой реакции тратится одна молекула АТФ; 3 – разрезание ДНК в участке ГАТЦ, расположенных перед и позади сайта мисмэтча; 4 – длинный участок ДНК, расположенный между двумя надрезами инесущий мисмэтч, должен быть отсоединен от молекулы ДНК, в результате чего возникает длинная однонитеваябрешь; в расплетании двунитевой ДНК принимают участие хеликазы и расходуются несколько молекул АТФ; 5 – застройка длинной бреши ДНК полимеразой с использованием дезоксирибонуклеотидтрифосфатов (dNTP); 6 – соединение оставшихся после завершения репликации однонитевых разрывов с помощью ДНК лигаз.
В результатевсей цепи реакций участок мисмэтча заменяется правильной (комплементарной) паройëéâîÖê Ç.ç. êÖèÄêÄñàü ÉÖçÖíàóÖëäàï èéÇêÖÜÑÖçàâ9дефект, и это может привести клетку к гибели. Чтобы его залечить, клетка прибегает к приему, похожему на рекомбинацию (рис. 3). Из комплементарнойнити матричной ДНК (она была свободна от дефектов), на которой репликация ДНК уже завершена, спомощью белка recA вырезается участок ДНК, равный по длине участку бреши и встраивается в брешь.Затем лигазы соединяют концы вставленного фрагмента с концами нормально синтезированного участка дочерней нити.
После этого другие ферментырепарации устраняют дефект в исходно поврежденной нити и ДНК становится залеченной. Одновременно брешь, оставшаяся после вырезанияучастка из материнской нити, застраивается ДНКполимеразой I и концы соединяются лигазой.SOS-репарация. Что случится, если клетка подошла к моменту, когда нужно реплицировать ДНК,но в ней остались повреждения, которые ни одна изописанных выше систем репарации не смогла устранить? Репликация застопорится на первом же неустраненном поражении, и если их в ДНК много,клетка должна погибнуть. В этих условиях в клеткахактивируется еще один крайне рискованный механизм репарации, обнаруженный впервые в 1974 годуюгославским ученым Мирославом Радманом, эмигрировавшим во Францию.
Радман установил, чтопри этом индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК полимеразному комплексу, “загрубляют” его работу, и такой “подпорченный” комплекс становится способным строить дочернюю ДНКнапротив дефектных звеньев матричной нити, но,разумеется, в дочерней нити теперь появляется довольно много ошибок, мутаций. Радман остроумноназвал этот механизм “SOS-репарация” от международно признанного сигнала бедствия SOS (спасите наши души).
Принцип метода пояснен на рис. 4.В результате SOS-репарации клетка спасается от гибели на этом этапе: ее ДНК оказывается удвоенной,хотя и с ошибками, и теперь может произойти клеточное деление, но если жизненно важные функциивсе-таки безнадежно испорчены, такая клетка всеравно погибнет позже из-за неспособности правильно функционировать. Если же возникшие мутации не окажут летального действия, клетка худобедно, но проживет и ее потомки будут нести уже теперь всегда наследственную память о пережитых некогда последствиях мутационной катастрофы. Конечный исход читатель может дорисовать в своемвоображении сам, так же как легко может себе представить, чем обернется устойчивое загрязнениесреды обитания для любых организмов, включаячеловека, если им придется все чаще и чаще прибегать к индуцированному загрязнениями ответу типаSOS-репарации.10Пораженная двойнаяспираль5'T=T3'Димер тимина3'5'Брешь5'3'Сестринская двойная спираль1 Присоединение rec A белковrec A белкиT=T2 Рекомбинация: внесениедвух разрезов в сестринскуюнить с последующим переносом вырезанного фрагмента в брешь напротивдимера тиминаT=T3 Брешь в сестринскойспирали репарируетсяс участием ДНК полимеразы I и лигазыДвойная спираль с репарированной брешьюДимер тиминаT=TНеизмененная сестринская спиральРепаративный синтезРис.
3. Пострепликативная репарация ДНК. Еслидо начала репликации ДНК из нее не были устранены все дефекты, то одна из нитей материнскоймолекулы будет нести повреждение (краснымцветом выделен димер тимина), а комплементарная ей нить будет свободна от повреждений (нитиматеринской молекулы показаны черным цветом). На поврежденной нити репликация завершится тем, что напротив димера тимина в зановосинтезированной нити (зеленого цвета) окажетсябрешь, в то время как сестринская двойная спираль не будет нести повреждения. После этогоможет пройти пострепликативная репарация поврежденного участка: 1 – молекулы белка recA(синие) присоединяются к зоне бреши; 2 – под контролем белков recA произойдет рекомбинация –участок комплементарной цепи сестринской нити(черная) переносится в район бреши; 3 – брешь всестринской ДНК застраивается в ходе репликативного синтеза (застроенный участок показанкрасным цветом); концы новой и старой нитей соединяются лигазойêÄëèêéëíêÄçÖççéëíú êÖèÄêàêìûôàïëàëíÖå Ç ÜàÇéå åàêÖФотореактивация, как мы уже знаем, была обнаружена одновременно у прокариотов (бактерий ивирусов) и эукариотов (дрожжей).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
